天壇的回音壁之所以能令語聲傳送百米仍辯字清晰、氣韻悠長，是因為其特別的弧度將聲波匯聚在彎曲墻壁內側進行傳播。

那有沒有一面彎曲的“墻壁”可以匯聚光波，得到更高的能量？

北京大學肖云峰教授和龔旗煌院士領導的研究團隊就利用超高品質因子回音壁光學微腔，得到了“合二為一”的光波，相比此前的方法合成效率提升了14個數量級。

這種增強后的光學信號可以作為一種超高靈敏度的無標記“探針”，用來檢測和研究材料表面分子的結構、排布、吸收等物理、化學性質。

由中科院上海光學精密機械研究所和中國光學學會主辦的中國激光雜志社近日發(fā)布2019年度中國光學十大進展，上述“微腔表面對稱性破缺誘導非線性光學”作為基礎研究類成果入選。

澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者邀請微腔非線性光學專家、南開大學物理科學學院副院長薄方教授解讀該成果。薄方介紹道，回音壁光學微腔（例如球形微腔）的基本原理是光波在材料表面處發(fā)生全反射，使得光波能夠沿內表面持續(xù)傳輸。這個過程與天壇回音壁傳聲類似。

“它最顯著的特點是可以長時間的把光限制在腔體里面，從而實現很強的能量積累，這也就是超高品質因子的含義。”他說道。

光子二合一

北京大學團隊的這項研究成果，從專業(yè)角度上講是增強了“二階非線性光學效應”。

什么是非線性光學？線性光學的特點是不改變光的頻率。由于光的能量與頻率呈正比，不改變頻率，能量也就不會發(fā)生改變。

反之即可推出，非線性光學可能會發(fā)生能量變化。其中，二階非線性光學效應是現代光學研究與應用中最基本、最重要的非線性光學過程之一，被廣泛地用于實現頻率轉換、光學調制和量子光源等。

我們可以通俗地理解，二階非線性光學效應是把兩個頻率為“1”的光子，合并成了一個頻率為“2”的光子，單光子的能量翻倍。

雖然聽起來很美好，但這樣的方案實現起來是很難的。直到人類制造出了強激光，借助特殊的材料表面或界面，非線性光學效應研究才成為可能。

“表面非線性光學效應通常與材料表面的性質息息相關，是研究表面物理與表面成分檢測的利器，”薄方說道。“相關研究已經有近40年的歷史，但是長期以來的挑戰(zhàn)是轉換效率極低。”

即使在高強度的脈沖光激發(fā)下，我們也只能得到極少數的二階非線性光子。

“針尖對針尖”

北京大學團隊想到了回音壁光學微腔這一工具。它已經在增強光與物質相互作用中大展身手，可以在弱光輸入下產生顯著的非線性光學效應。

不過，要用好這一工具也不容易。只有在一個很窄的波長范圍內，激發(fā)光（即一開始的光波）與諧波（即“合成”的光波）都與微腔模式共振，它們才能在回音壁微腔中發(fā)生顯著的相互作用。

薄方介紹，北京大學團隊在研究過程中遇到的最大挑戰(zhàn)是由于激光和微腔模式的線寬均極窄，實驗上很難使得激發(fā)光和諧波光信號同時與對應的微腔模式發(fā)生共振。

“通俗地講，不但需要激發(fā)光與微腔模式‘針尖對準針尖’，而且諧波光與另一微腔模式也應該‘針尖對準針尖’。”薄方說到。

為此，北京大學研究團隊提出動態(tài)相位匹配的原理，通過熱效應補償材料色散，比較圓滿的解決了這個問題。

高靈敏“探針”

最終，實驗上獲得的二次諧波轉換效率高達0.049% /W，相比傳統表面非線性光學的結果增強了14個數量級。

此外，研究團隊通過進一步對基波偏振和二次諧波模式場分布的測量分析，成功排除了體相電四極響應的干擾，提取得到只有表面對稱性破缺誘導的非線性信號。

薄方介紹道，這種信號被“回音壁”大大增強，可以作為一種超高靈敏度的無標記“探針”，用來檢測和研究材料表面分子的結構、排布、吸收等物理、化學性質，為表面科學的研究和應用提供了一個全新的物理平臺。

研究過程中發(fā)展的動態(tài)相位匹配機制具有普適性，可進一步推廣到不同材料、不同形狀的光學諧振腔中，并可能在非線性集成光子學中發(fā)揮重要作用。

作為后續(xù)，研究團隊將一方面引入其它材料對微腔表面進行修飾，調控微腔表面的非線性光學行為；另一方面，利用這種“探針”對微腔周圍的物質分子做無標記探測以及特異性識別。